<div>Gas turbine engines have operated on the Brayton cycle for decades, each decade only gaining approximately one to two percent in thermal efficiency as a result of efforts</div><div>to improve engine performance. Pressure-gain combustion in place of constant-pressure combustion in a Brayton cycle could provide a drastic step-change in the thermal efficiency of these devices, leading to reductions in fuel consumption and emissions production. Rotating Detonation Engines (RDEs) have been widely researched as a viable option for pressure-gain combustion. Due to the extremely high frequencies associated with operation of an RDE, the development and application of high-speed diagnostics techniques for RDEs is necessary to further understand and</div><div>develop these devices.</div><div><br></div><div>An application of high-speed diagnostic techniques in a natural gas-air RDE at conditions relevant to land-based power generation is presented. Diagnostics included high-frequency chamber pressure measurements, chemiluminescence imaging of the annulus, and Particle Image Velocimetry (PIV) measurements at the exit plane of the RDE. Results from a case with two detonation waves rotating clockwise (aft looking forward) in the combustor annulus are presented. Detonation surface plots are created from chemiluminescence images and allow for the extraction of properties such as dominant frequency modes and wave number, speed, and direction. The chamber frequency for the case with two co-rotating waves in the chamber is found to be 3.46 kHz and corresponds to average individual wave speeds of 68% Chapman-Jouguet (CJ) velocity. Dynamic Mode Decomposition (DMD) is applied and indicates the presence of two strong detonation waves rotating clockwise and periodically intersecting with weaker, counter-rotating waves in the annulus at certain times during operation. Singular-Spectrum Analysis (SSA) is used to isolate modes corresponding to the detonation frequency in the signals of velocity components obtained from PIV, maintaining instantaneous phase information. Axial and azimuthal components of velocity are observed to remain nearly 180 degrees out of phase. Lastly, approximate angles for the trailing oblique shocks in the combustion chamber are calculated.</div>

Ce travail est une étude expérimentale de l'influence du nombre de Reynolds sur les caractéristiques des tourbillons longitudinaux et transverses de la turbulence de paroi. Une campagne de mesure par PIV stéréoscopique est réalisée dans des plans longitudinaux/normaux à la paroi (XY), et dans des plans normaux/transversaux (YZ) des couches limites de la soufflerie du LML et du tunnel à eau du LTRAC, à six nombre de Reynolds compris entre Re_\theta=1300 et Re_\theta=18950. Les mesures ont une bonne résolution spatiale et une faible incertitude. La base de données est validée au travers de l'analyse de grandeurs statistiques de l'écoulement (moyenne et RMS de la vitesse, histogramme des fluctuations, spectres de puissance) , comparées à des profils de référence issus de la théorie, de mesures fils-chauds ou de données DNS. Une détection de tourbillon, basée sur le fit d'un tourbillon d'Oseen autour des maxima de "swirling strength", est ensuite entreprise sur les données stéréo-PIV ainsi que sur des données DNS à Re_\tau=950. L'évolution des caractéristiques des tourbillons (rayon, vorticité, circulation, vitesse de convection) avec la distance "y" à la paroi est ensuite analysée dans deux représentions adimensionnées: l'une en unités de paroi, et l'autre en unités de Kolmogorov. Une bonne universalité en nombre de Reynolds est obtenue en unités de paroi dans la zone tampon et la zone logarithmique, mais pas dans la zone externe de l'écoulement. Les unités de Kolmogorov permettent d'obtenir une bonne universalité dans les trois zones étudiées, à la fois en Reynolds et en "y". Finalement, les mécanismes responsables de la génération des tourbillons sont discutés / This work is an experimental study of the influence of the Reynolds number on the characteristics of the streamwise and spanwise vortices in near-wall turbulence. Stereo-PIV measurements in streamwise/wall-normal and spanwise/wall-normal planes of turbulent boundary layer flow are conducted in the LTRAC water-tunnel and LML wind-tunnel at six Reynolds numbers comprised between $Re_\theta=1300$ and $Re_\theta=18950$. The measurements feature good spatial resolution and low measurement uncertainty. The database is validated through an analysis of some single-points statistics (mean and RMS velocity, PDF of the fluctuations), and of the power spectra, compared with reference profiles from theory, hot-wire measurements and DNS data. A coherent structure detection is then undertaken on the SPIV database, as well as on a DNS dataset at $Re_\tau=950$. The detection is based on a fit of an Oseen vortex to the velocity field surrounding extrema of 2D swirling strength. The wall-normal evolution of some statistical quantities (mean, RMS, PDF) of the vortex characteristics (radius, vorticity, circulation, convection velocity...) is analyzed, using two different scalings: the wall-unit scaling and the Kolmogorov scaling. In wall-unit scaling, a good universality in Reynolds numbers is observed in the near-wall and logarithmic region, but some Reynolds number effects are visible in the outer region of the flow. In contrast, the Kolmogorov scaling was found to be universal both in Reynolds number and wall-normal distance across the three regions investigated. Finally, the results obtained are interpreted in terms of vortices generation mechanisms

O objetivo do presente estudo foi o de determinar em qual fase da onda de crescimento folicular são obtidas maiores taxas de recuperação e competência de oócitos obtidos por aspiração folicular (OPU) em novilhas cruzadas (Bos indicus x Bos taurus; Capítulo 1) ou em novilhas bubalinas (Bubalus bubalis), zebuínas (Nelore; Bos indicus) e taurinas (Holandês; Bos taurus; Capítulo 2). No Capítulo 1, 30 novilhas cruzadas foram submetidas à OPU aos 2 (D2), 4 (D4) e 6 (D6) dias após a emergência da onda de crescimento folicular (n=10/ grupo), em delineamento &quot;cross-over&quot; realizado em 3 réplicas. Os oócitos recuperados foram selecionados e os viáveis submetidos aos procedimentos de produção in vitro. Os dados foram analisados por ANOVA, utilizando o PROC MIXED, considerando os efeitos fixos de momento de OPU, de réplica e da interação entre eles, e o efeito aleatório de doadora. Foram produzidos maior taxa de blastocistos aos 6 dias pós-FIV, bem como maior número de blastocistos aos 9 dias pós-FIV e maior número de núcleos dos embriões eclodidos quando procedeu-se com aspiração no D2. Contudo, a OPU realizada no D6 também influenciou positivamente a taxa de blastocistos 6 dias pós FIV e não diferiu dos outros momentos com relação ao número de núcleos dos embriões eclodidos. No Capítulo 2, foram realizados 2 experimentos (1 e 2). No Experimento 1, foi avaliado o efeito de 50 mg de progesterona injetável na sincronização de emergência folicular em novilhas Nelore, Holandesas e bubalinas submetidas a protocolo de sincronização à base de progestágeno associado a 2 mg de benzoato de estradiol (n=10/ grupo). Os dados foram analisados por regressão logística, utilizando o PROC GLIMMIX. O momento da emergência folicular não foi afetado pela administração de progesterona injetável, ocorrendo entre 4,2 a 4,5 dias após o início do protocolo de sincronização para os três grupos genéticos. No Experimento 2, foram avaliados os efeitos de momento de sincronização da emergência folicular para a aspiração folicular (1, 3 ou 5 dias após a emergência) e de grupo genético (Nelore, Holandês e búfalo) na produção de embriões in vitro. Um total de 27 novilhas (9 de cada grupo genético, subdivididas nos 3 momentos de aspiração folicular) foram submetidas a 6 sessões de OPU, em delineamento &quot;cross-over&quot;. Os oócitos recuperados foram selecionados e os viáveis submetidos aos procedimentos de produção in vitro. Os dados foram analisados por ANOVA, utilizando o PROC MIXED, considerando os efeitos fixos de momento de OPU, de grupo genético, de réplica e da interação entre eles, e o efeito aleatório de doadora. Os resultados demonstraram que novilhas Nelore apresentaram melhor eficiência para a produção de embriões in vitro do que as novilhas Holandesas ou bubalinas, e que a aspiração folicular realizada em diferentes momentos da onda folicular sincronizada não influenciou a produção in vitro. / The objective of the present study was to determine in which phase of follicular wave higher recovery rates and better oocyte competence can be obtained by ovum pickup (OPU) in crossbred (Bos indicus x Bos taurus; Chapter 1) or buffalo (Bubalus bubalis), Nelore (Bos indicus) and Holstein heifers (Bos taurus; Chapter 2). In Chapter 1, 30 crossbred heifers were submitted to OPU on days 2 (D2), 4 (D4) or 6 (D6) after follicular wave emergence (n=10/ group), in a cross-over design performed in 3 replicates. Oocytes recovered were selected and those viable were submitted to in vitro embryo procedures. Data were analyzed by ANOVA, using PROC MIXED, in which time of OPU, replicate and interaction between these factors were considered as fixed effects, and donor was considered as a random effect. Higher blastocyst rate (6 days after IVF), number of blastocysts (9 days after IVF), and number of nuclei of hatched embryos were produced when OPU was done on D2. However, OPU on D6 also produced a higher blastocyst rate (6 days after IVF), and did not differ from other times of OPU concerning number of nuclei of hatched embryos. In Chapter 2, two experiments were performed. In Experiment 1, the effect of 50 mg of injectable progesterone was evaluated in the synchronization of follicular wave emergence of Nelore, Holstein, and buffalo heifers submitted to a progestin plus 2 mg of estradiol benzoate protocol (n=10/ group). Data were analyzed by logistic regression, by PROC GLIMMIX. The time of follicular wave emergence was not affected by administration of injectable progesterone. Besides, follicular wave emergence occurred between 4.2 and 4.5 days after the beginning of synchronization protocol for all genetic groups. In Experiment 2, the effects of time of OPU relative to follicular wave emergence (1, 3 or 5 days) and of genetic group (Nelore, Holstein, and buffalo) on in vitro embryo production were evaluated. A total of 27 heifers (9 of each genetic group, assigned in the 3 times of OPU) were submitted to 6 OPU sessions, in a cross-over design. Oocytes recovered were selected and those viable were submitted to in vitro embryo procedures. Data were analyzed by ANOVA, using PROC MIXED, in which time of OPU, genetic group, replicate and interaction between these factors were considered as fixed effects, and donor was considered as a random effect. Results demonstrated that Nelore heifers showed a better efficiency for in vitro embryo production than Holstein or buffalo heifers. Additionally, OPU performed at different times of synchronized follicular wave did not influence in vitro embryo production.

Dans ce travail, nous représentons des résultats expérimentaux sur la transition vers les rouleaux turbulents dans l’écoulement de Couette-Taylor, l’écoulement produit entre deux cylindres coaxiaux tournant indépendamment l’un par rapport à l’autre. Une fois la géométrie et la nature du fluide sont fixes, l’écoulement est gouverné par deux paramètres de contrôle, les nombres de Reynolds intérieur et extérieur 〖Re〗_o et 〖Re〗_i associés à la rotation des cylindres extérieur et intérieur respectivement. La variation de ces paramètres confère à l’écoulement une variété de régimes, décrits par Coles [7] et par Andereck et al. [13]. Dans le cas de la contra-rotation, nous avons identifié trois régimes principaux sur le diagramme d'Andereck et al. [13] En considérant la variation de 〖Re〗_i pour une valeur fixe de〖 Re〗_o, l’écoulement est laminaire pour des faibles〖 Re〗_i. Il devient instable pour des valeurs plus élevées de〖 Re〗_i. Avant d'atteindre la turbulence, l'écoulement passe par un régime de coexistence laminaire-turbulent [7 13 14 16]. Pour notre série de mesures, nous avons fixé le nombre de Reynolds extérieur à 〖Re〗_o=-4368 et nous avons varié 〖Re〗_i du régime laminaire vers le régime turbulent. Pour 3000 < 〖Re〗_i < 4000, les diagrammes spatio-temporels indiquent la présence de structures cohérentes désordonnées. Ces structures sont bien organisées dans le temps et dans l’espace pour 4000 <〖 Re〗_i < 10000, et deviennent stationnaires pour des 〖Re〗_i plus grands [35]. Cette étude a été réalisée à l’aide d’une technique de visualisations à l'aide du kalliroscope, ainsi que par des mesures de vitesse par PIV stéréoscopique et LDV. Ceci nous permet ensuite de calculer les différentes quantités moyennes (énergie cinétique, contrainte de Reynolds, temps et longueur de corrélation, ...). / In this work we report experimental results on the transition to the turbulent vortices in the Couette-Taylor flow, the flow produced between independently rotating coaxial cylinders. Once the geometry and the nature of the fluid are fixed, the flow is gouverned by two control parameters, the outer and the inner Reynolds numbers 〖Re〗_o and 〖Re〗_i associated with the rotation of the outer and inner cylinders respectively. The variation of these parameters produces a large variety of regimes, which have been described by Coles [7], and Andereck et al. [13]. In the counter-rotating case, we have identified three main regimes on the diagram of Andereck et al. [13] When considering the variation of 〖Re〗_ifor a fixed value of〖 Re〗_o, the flow is laminar for low〖 Re〗_i. It becomes unstable for higher values of 〖Re〗_i. Before reaching turbulence, the flow passes by a regime of laminar-turbulent coexistence [7 13 14 16]. For our series of measurements, we fixed the outer Reynolds number at 〖Re〗_o=-4368, and varied 〖Re〗_ifrom the laminar to the turbulent regime. For 3000 < 〖Re〗_i< 4000, the space-time diagrams indicate the occurrence of disordered coherent structures. These structures are then well organized in time and space for 4000 < 〖Re〗_i< 10000, and become stationnary for the highest 〖Re〗_i [35]. These regimes are studied by visualizations using kalliroscope, as well as measurements of the velocity by stereoscopic PIV and LDV. This later allows us to calculate the various mean quantities (kinetic energy, Reynolds stress, time and length of correlation, etc…).

Towing-tank experiments are performed for a surface combatant as it undergoes static and dynamic planar motion mechanism maneuvers in calm water. The data includes global forces/moment/motions and phase-averaged local flow-fields, and uncertainty assessment. The geometry is DTMB model 5512, which is a 1/46.6 scale geosym of DTMB model 5415, with L = 3.048 m. The experiments are performed in a 3.048 × 3.048 × 100 m towing tank. The measurement system features a custom designed planar motion mechanism, a towed stereoscopic particle image velocimetry system, a Krypton contactless motion tracker, and a 6-component loadcell. The forces/moment and UA are conducted in collaboration with two international facilities (FORCE and INSEAN), including test matrix and overlapping tests using the same model geometry but with different scales. Quality of the data is assessed by monitoring the statistical convergence, including tests for randomness, stationarity, and normality. Uncertainty is assessed following the ASME Standards (1998 and 2005). Hydrodynamic derivatives are determined from the forces/moment data by using the Abkowitz (1966) mathematical model, with two different 'Multiple-Run (MR)' and 'Single-Run (SR)' methods. The results for reconstructions of the forces/moment indicate that usually the MR method is more accurate than the SR. Comparisons are made of the hydrodynamic derivatives across different facilities. The scale effect is small for sway derivatives, whereas considerable for yaw derivatives. Heave, pitch, and roll motions exhibit cross-coupling between the motions and forces and moment data, as expect based on ship motions theory. Hydrodynamic derivatives are compared between different mount conditions. Linear derivatives values are less sensitive to the mounting conditions, whereas the non-linear derivatives are considerably different. Phase-averaged flowfield results indicate maneuvering-induced vortices and their interactions with the turbulent boundary layer. The tests are sufficiently documented and detailed so as to be useful as benchmark EFD data for CFD validation.

L’objectif de cette étude est d’analyser expérimentalement l’interaction entre un tourbillon longitudinal isolé et une couche limite se développant sur un profil portant bi-dimensionnel de type NACA0015 pour des incidences faibles et autour du décrochage statique. Le travail a été réalisé en tunnel hydrodynamique à Reynolds 5 105, le tourbillon est généré en amont par une aile elliptique de section NACA0020. Les campagnes de mesures ont été réalisées par LDV et PIV en ce qui concerne le champ de vitesse et par balance hydrodynamique en ce qui concerne les efforts globaux. Ce type de configuration peut être retrouvé dans les applications de contrôle d’écoulement (par utilisation de générateurs de vortex) ou en hydrodynamique navale dans les interactions « tourbillon d’ogivesafran de gouvernail ». L’originalité de la configuration étudiée réside dans le fait que le vortex est généré hors couche limite, contrairement à la configuration classique du contrôle d’écoulement en aérodynamique, où le vortex est généré à une distance de l’ordre de l’épaisseur de couche limite. Les résultats ont montré que la présence du tourbillon inhibe le phénomène d’hystérésis lors du décrochage statique du profil NACA0015, ceci étant associé à une modification notable des états de couche limite tant en valeur moyenne que fluctuante. En effet, pour les faibles incidences, la présence du tourbillon longitudinal modifie le gradient de pression, retarde de manière globale le décollement de la couche limite en réaccélérant le fluide à la paroi. Pour les incidences plus élevées, on observe un ré-attachement de la couche limite dans la région d’inflow (zone d’apport de fluide rapide à la paroi). La dynamique de cet écoulement est analysée par décomposition orthogonale en modes propres (POD) dans le but de mieux appréhender l’alignement spatial tourbillonnaire dans le sillage des corps mis à grande incidence et contrôlé.

Les mouvements cellulaires collectifs jouent un rôle fondamental dans de nombreux phénomènes biologiques (développement, régénération, cancer, etc.). Pour autant, les mécanismes régissant ces mouvements sont toujours mal connus. Nous nous proposons dans cette thèse d'étudier deux situations expérimentales mettant en jeu ces mouvements dans des monocouches cellulaires.Nous nous intéressons en premier lieu à des cellules HBEC, épithéliales mais peu cohésives. On calcule par PIV (vélocimétrie par images de particules) le champ de vitesse dans des populations de cellules déposées de manière homogène sur le substrat. On observe un ralentissement des mouvements et une progression non monotone de leur corrélation spatiale en fonction du temps. La combinaison de nos expériences, d'un modèle analytique et de simulations nous permet de conclure que cette évolution est la signature d'une transition de jamming contrôlée par la vitesse et que le ralentissement est dû à une maturation des jonctions cellule-cellule et des adhésions cellules-substrat.Nous étudions ensuite la compétition pour l'espace entre deux lignées HEK-HT, l'une normale et l'autre transformée par une mutation oncogénique RasV12. On dépose face à face les deux populations, porteuses d'un fluorophore différent, séparées par une bande de substrat libre pour les faire migrer l'une vers l'autre. On combine l’analyse des images de fluorescence aux techniques de PIV pour étudier la dynamique des deux fronts de population. Après contact et malgré un certain mélange des deux types, les monocouches forment une interface relativement bien définie qui se déplace dans le sens d'avancée du type transformé. / Collective cellular motion plays a fundamental role in several biological phenomena: development, regeneration, cancer, etc. However, the mechanisms behind this motion are still poorly understood. In this thesis, we study two experimental situations involving collective motion in cellular monolayers.We first look at HBEC cells, which are epithelial but weakly cohesive. Using particle image velocimetry (PIV), we monitor the velocity field in populations of cells homogeneously seeded on the susbtrate. We observe a slowdown in the cellular motion as its spatial correlation non-monotonically changes with time. Combining our experiments with an analytical model and simulations allows us to conclude that the system undergoes a jamming transition with speed as the main control parameter. We also show that the observed slowdown is a consequence of the maturation of cell-cell junctions and cell-substrate adhesions.We then study the competition for space between two HEK-HT cell lines, one being normal and the other being transformed by an oncogenic RasV12 mutation. The two fluorescently-labeled populations are set to migrate antagonistically towards an in-between stripe of free substrate. Through analysis of the fluorescence images and PIV methods, we study the dynamics of both population fronts. After contact, even though the two types mix to a certain extent, we observe a relatively well-defined interface, which moves towards the normal population.

Les phénomènes physiques pilotant la stabilisation des flammes laminaires partiellement prémélangées sont étudiés à l'appui d'un brûleur domestique modèle. La structure et l'aérodynamique de la flamme sont caractérisées par Fluorescence Induite par Laser sur le radical OH et par Vélocimétrie par Images de Particules. Cette flamme est considérée comme deux flammes doubles adjacentes, chacune constituées d'une extrémité de flamme. La flamme double supérieure a un comportement similaire à une flamme d'un brûleur Bunsen : elle est stabilisée par un mécanisme d'accroche-flamme sur le brûleur et le sommet du cône est stabilisé par l'équilibre de la vitesse du front de flamme et de la vitesse de l'écoulement. La flamme double inférieure se stabilise au croisement de la ligne stœchiométrique et de la ligne iso-vitesse, correspondante à la vitesse de flamme plane stœchiométrique. Cette base inférieure est soufflée lorsque ces deux lignes n'ont plus de point commun.

La connaissance simultanée de la richesse et vitesse locale est très importante dans de nombreuses applications de combustion et spécialement dans les moteurs à injection directe essence où la flamme se propage à travers une distribution de mélange air-carburant hétérogène. Cette étude reproduit ces hétérogénéités de richesse avec un mélange propane-air dans une chambre de combustion à volume constant. L'influence locale de la richesse et de la vitesse sur la propagation de la flamme est étudiée. La stratification est crée par un jet pulsé riche injecté dans une chambre en mélange pauvre, le mélange étant ensuite allumé. Deux diagnostics optiques ont été utilisés simultanément, la PIV pour la mesure de vitesse et la FARLIF pour la mesure de richesse à froid et en combustion. Les propriétés et gammes d'applications de la PIV et de la FARLIF ont été vérifiées. Ces méthodes ont ensuite été utilisées pour étudier les caractéristiques de la combustion stratifiée.

Les écoulements internes et le mélange prenant place pendant la phase de compression d'un cylindre moteur constituent des facteurs clés en vue de l'optimisation du moteur ainsi que des émission polluantes. Le cadre contractuel de ce travail est un projet collaboratif mettant en oeuvre les constructeurs automobiles (PSA, Renault) le CNRS ainsi que l'ADEME. Une installation expérimentale existante a été exploitée. Nous avons apporté des modification permettant de réaliser une injection directe au sein de la chambre. Nous avons pu rassembler une base de donnée importante et fiable. Des techniques d'imagerie laser ont été utilisées. Cette étude servira à répondre à mieux connaître la capacité de cette interactions à altérer les propriétés de transport et de non dissipativité de la structure tourbillonnaire à grande échelle attendue pour réaliser une stratification de la charge. Nous nous intéressons ici à l'interaction entre un spray et l'aérodynamique dans une situation modèle d'un moteur à pistons. Ainsi un jet rond monophasique modèle à été a été mis en place afin de respecter une analyse dans dimension permettant d'être représentatif de la situation réelle. Deux directions d'injections ont été testées afin d'étudier l'influence du jet sur l'écoulement Des mesures ont donc été effectuées pour mesurer les champs de vitesse (PIV) ainsi que les champs de fraction massique (PLIF) dans le plan de symétrie de la chambre. Afin de réaliser des mesures quantitatives de fluorescence, il était nécessaire de réaliser un étalonnage afin de connaître le coefficient d'absorption ainsi que le rendement de fluorescence du dopant utilisé (en l'occurrence de l'acétone). Ces mesures permettent une meilleure compréhension des phénomènes de transfert d'énergie entre le jet d'injection et la structure tourbillonnaire à grande échelle ainsi que de la modification du processus de rupture de cette dernière par l'injection. L'énergie moyenne est transférée vers les petites échelles durant un temps très cours. Puis il apparaît que la perturbation de la structure cohérente à grande échelle par l'injection provoque très tôt dans le cycle le processus de dissipation. Ainsi, le temps de dissipation est plus long entraînant un niveau d'énergie fluctuante en fin de compression après injection beaucoup plus faible que dans la situation de compression du vortex seul. Cette donnée est importante en ce qui concerne la combustion. Enfin, nous avons proposé l'utilisation de la Décomposition Orthogonale en modes Propres (POD) avec une approche globale sur la phase de compression ceci afin de disposer d'une base commune à l'ensemble des champs instantanés de cette phase. Une interpolation des champs est donc nécessaire pour unifier en taille tous les champs utilisés dans la décomposition. Le schéma linéaire apparaît comme celui permettant de minimiser les pertes d'énergie par l'interpolation. Cette analyse POD confirme les conclusions apportée auparavant en ce qui concerne les transferts d'énergie entre échelles et apparaît comme un outil efficace et prometteur dans l'étude des phénomènes transitoires comme celui ci.